三个维度构建企业智能制造体系

发布时间：2016-03-28 www.cechina.cn

　　智能工厂构建成为了当下推进智能制造的“标配”，而这离不开顶层设计和结构化分析、分布式构建。智能工厂本身包含太多内容，如软件(信息化)、硬件(智能装备)、集成(纵向集成和端到端集成)、工业大数据应用、智能物流、人员及管理要素等，很难通过一篇文章系统阐述。
　　所以，市面上的文章主要是以单个角度切入、然后形成系列文章进行阐述。本文的视角是从信息化层面的三层架构来分析的，打通数据的纵向集成，提高数据的真实度和使用效率，走向效率更高、质量更优、透明度更高的智能工作。
　　结合中国工业现状，未来五年，中国很多制造型企业将搭建三层架构模式(SFC-MES-ERP)的智能工厂，从“三个维度”对企业资源计划、制造过程执行和生产底层进行严密监控，实时跟踪生产计划、产品的状态，可视化、透明化地展现生产现场状况，推进企业改善生产流程、提高生产效率，实现智能化、网络化、柔性化、精益化，以及绿色生产。
　　生产现场集中控制管理系统SFC(Shop Floor Control)、制造执行系统MES(Manufacturing Execution System)和制造资源计划管理系统ERP(Enterprise Resource Planning)，分别处于工厂生产底层(控制层)、制造过程(执行层)和制造资源(计划层)。通过采用这三套系统，企业能够充分利用信息技术、物联网技术和设备监控技术，加强生产信息管理和服务，清楚掌握产销流程、提高生产过程的可控性、减少生产线上人工的干预，同时还能即时正确地采集生产线数据，合理编排生产计划与生产进度，打造“三维”智能工厂。
　　“三维”智能工厂是集绿色、智能等新兴技术于一体，构建一个高效节能、绿色环保、环境舒适的生产制造管理控制系统，其核心是将生产系统及过程用网络化分布式生产设施来实现。同时，企业管理包括生产物流管理、人机互动管理，以及信息技术在产品生产过程中的应用，形成新产品研发生产制造管理一体化。
　　三维智能工厂的“触角”—SFC
　　生产底层(控制层)是工业互联网的感知层，是三维智能工厂的“触角”。在生产过程中，所有制造企业都需要在一个整合的IT系统，或者从多个IT系统中，合并包含电子数据表的管理业务流程信息。在这些系统当中，许多典型的领域需要被特别予以关注，如设备、工具、质量、工艺、人员等。
　　在许多制造企业中，生产现场只具备很有限的IT系统，并且这些系统通常以机械控制与自动化为导向，或者根本就没有IT系统，从而必须配备额外的管理人员，花费额外的时间，为了不必要的沟通、联络、接洽、电话咨询，产生了很多文件，耽误了时间，增加了额外的成本。
　　在较早进行智能工厂建设的制造企业中，计划层(ERP)、执行层(MES)的管理和生产底层(SFC)之间出现了信息断层，因此产生低效率与附加成本，从而降低整个企业的信息化效益。
　　以盖勒普SFC系统为例，其涵盖了整个生产底层(控制层)的完整规划，是实现三维智能工厂的基石。它既包括机器、设备组、生产线等各类生产所需的智能终端信息采集技术，也包括射频识别(RFID)标签、传感器、摄像头、二维条码、遥测遥感等感知终端信息采集技术，编织了生产底层(控制层)的网络化平台，将生产信息集中管理、实时共享，整体跟踪和管理生产人员所关心的主要生产过程，实时采集生产底层各种加工数据，并加以统计和分析。SFC系统使运行生产底层(控制层)的工作变得更加简单、有效和有力，重新定义了整个生产车间的自动化过程。
　　根据“三维”智能工厂的总体规划，生产底层(控制层)SFC通过可配置、模块化的工业互联网技术，结合先进的数字化数据录入/读出技术，搭建智能工厂车间协同制造平台，使各生产单元数据在系统内实现无缝连接、快速调用。生产现场通过设备和工位、人员统一联网管理，在每个生产工序环节进行智能化数据采集和反馈，并实时统计和分析，超过25000多种可自定义的图报表在各个生产工段、部门进行实时展示。同时，企业领导者可结合大数据分析结果，进行实时决策，以降低制造过程成本，提高产品质量和生产效率。各类生产信息通过“无纸化”方式传递到工位、设备，以及生产中央控制室，为智能化排产提供数据支持。通过可视化电子看板和三维模拟实时展现生产现场，所有数据和信息均可动态地传输到各厂区的各生产数据终端。
　　基于“三维”智能工厂生产底层的SFC系统，不仅能够实现物理上的信息传递，而且还能实现包括信息安全、数据协议、业务协议等内容的网络体系。利用这样的网络体系组建车间、工厂互联网，可实现数据的采集、传递、存储、分析、应用，以及设备级的连通，如M2M(Machine to Machine)的交互、远程操控等。企业可构建生产过程各个环节的标准化机制，确定哪些信息可被用来交换，哪些属于标准构件，哪些机器适用等。SFC将先进的信息模式、生产模式形成标准，从而促进企业技术创新和模式创新。此外，系统还利用物联网技术、设备监控技术加强信息管理，提升产品及零部件生产效率，同时它还能够利用互联网帮助企业进行远程定制。
　　目前，生产现场集中控制管理系统SFC已经在主导我国C919、ARJ21飞机研制工作的中国商用飞机有限责任公司、中航工业西安飞机工业(集团)有限责任公司，以及西安航空动力控制科技有限公司、沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司、三一重工集团有限公司、上海电气集团股份有限公司、中船重工集团公司等各行业知名大型制造企业中得到广泛的实施应用。
　　三维智能工厂的“神经”—MES
　　对于制造型企业而言，制造过程(执行层)MES扮演的是“从订单出发到产品完成过程中，将产品及生产现场的实时信息完整无误地反映给管理者，以促使企业将生产活动最佳化”的角色。也就是说，MES完成制造计划的执行，它在制造资源(计划层)ERP和生产底层(控制层)SFC之间架起了一座桥梁，能精确调度、发送、跟踪、监控车间的生产信息和过程，且同时能测量和报告其实时性能，它是实现车间生产数字化、智能化的基本技术手段。
　　制造企业生产过程(执行层)在缺乏MES系统的协助下，不仅所有生产活动，如流程控制、派工管理、材料管理、设备操作等，都必须以人工进行作业，有关现场的数据采集，也只能靠员工手动进行整理、汇总，最快也得第二天才能出数据，最慢三四天也不足为奇。因此，生产现场数据滞后，造成管理者无法实时掌握车间现场的实际生产情况。即便当天发现生产异常，也无法及时纠正，对企业造成极大的损害。通过MES系统进行实时采集生产现场数据，管理者可快速了解上下游车间生产产品的种类、进度、数量与缺料等情况，实时进行相关产品的生产管控与调整，以增进整体生产线的作业效率，避免待料、重工等问题发生，缩短产品制造周期、减少在制品、缩短前置时间，大幅提高产品质量，降低生产成本。
　　制造过程(执行层)MES系统通过计算机控制所有的生产活动，可以简化以往的人工操作流程并避免生产错误情况的发生。举例来说，由于产品制程与所需条件、工艺、工装工具等均已事先规划在系统之中，一旦作业人员操作的现场状况与预先规划不一致，MES系统便会立刻提出警告，甚至终止作业进行。除此之外，通过数据自动采集与存储，如果发现产品质量不合标准，系统也会立即提出警示，通知现场人员处理。
　　在工业4.0时代，云计算、移动终端和大数据等新技术不断融合到工业自动化领域当中，制造业正从信息化迈向智能化。而智能化务必需要运用MES把碎片化、零散化的数据进行整合分析，通过数据互联互通，打通企业产品设计、客户管理、供应链管理、效率管理系统，实现生产底层(控制层)、制造过程(执行层)、制造资源(计划层)的整体优化，最终使制造业企业资产使用效率更高、产品生产成本更低、市场风险可控，提高企业整体竞争能力。
　　三维智能工厂的“大脑”—ERP
　　“互联网+制造”的浪潮席卷全球，移动、社交、云、物联网、纳米技术、3D打印等先进技术的整合，使制造业成为所有行业中发展最成熟的行业之一。为了更好地适应这种变化，制造企业正把目光转向新一代的ERP。研究报告表明，ERP对80%的公司都起着至关重要的作用——ERP提高了企业的工作效率，并帮助企业处理更为复杂的情况，同时还能协助管理者做出更好的决策。
　　制造资源(计划层)ERP系统整合企业流程，强调整个物流、资金流、信息流贯穿整个流程始末，环环相扣。注重部门与部门之间的衔接，员工充分知道本职岗位在企业整个流程中的重要作用，以及不规范操作所带来的后果。
　　ERP通过链接价值链纵向、横向、端到端的所有信息，实时监控、远程控制、数据分析及预测，拉近消费者与企业的距离，协助企业在互联网产业环境下快速建立大规模个性化、定制化的智能制造模式。
　　在“三维”智能工厂框架中，ERP系统居于计划层，也就是“领导层”，还能够体现企业事前计划、事中控制的思想，并可以将设计、制造、销售、运输通过智能化集成来并行地进行各种相关的生产作业，为企业提供了对产品质量、客户满意等关键问题的实时分析能力。同时，ERP系统可以将企业生产过程中涉及到的各种内外部资源、有形无形资源进行很好的整合，如技术研发资源与生产流程的整合、外部协作企业/机构、供应商、客户、渠道资源与企业本身生产资源的整合等，通过资源整合，实现协同制造，提高企业生产效率，提高生产柔性，不断强化企业的核心竞争力。
　　“三维”智能工厂通过生产底层(控制层)SFC、制造过程(执行层)MES、制造资源(计划层)ERP等软件系统的支撑，促使制造企业从最开始的追求低成本、高质量、高效率，升级到互联网时代要求的高速度，再到探索创新商业模式。在这个阶段，工业软件的应用成为核心，协助企业实现纵向、横向的全面整合，形成从研发到销售再到售后服务的完整价值链闭环。
　　实践出真知
　　国内某制造型企业，拥有先进的数字化精密机械制造、特种工艺、计量检测能力和信息化管理手段。该企业先后为多个型号的航空发动机研制生产了近200种、数十万套燃油附件。随着中国两化融合的快速推进，企业想要通过管理信息化与设备自动化的深度融合，利用各种传感器、智能控制系统、工业机器人、自动化生产线，构建设计制造一体化、管理智能化、数据信息化、控制自动化的智能工厂体系。
　　三维智能工厂，始于生产底层。该企业生产控制层SFC项目在于搭建一个设备层(数控机床)的车间级分布式控制网络，并实时采集机床数据和其他生产类数据，实现数控程序及相关联的生产要素(零件图纸、加工工艺、刀夹量具列表等)的有效管理，同时实现机床状态等的可视化展示，为接下来MES、ERP平台的有效搭建奠定下良好的基础，因此需先行实施。
　　通过盖勒普生产底层(控制层)SFC项目的实施，该企业完成了以下目标：
　　第一，建立覆盖加工车间的分布式控制网络，实现数控(NC)程序的有效调用、稳定有效传输和在线加工，实现刀补参数文件从对刀仪到机床端的有效传输。
　　第二，实现对数控机床的实时数据和其他生产类数据的有效采集，并将采集的数据以报表或统计图表的形式供决策者参考分析。同时，采集的数据对之后MES平台的生产调度和管理起到有效地指导作用。
　　第三，实现对NC程序的统一流程管理，并且在系统内实现NC程序与其关联生产要素文件统一管理。
　　第四，在实现机床数据采集的基础上，对车间机床进行三维建模，通过现场的展示大屏幕、数控设备旁的触摸屏，以及相关管理人员的PC终端对设备状态、设备开机率、零件完工率等进行有效展示。
　　底层SFC项目的建设，是推行智能制造技术的基础，为企业推行“三维”智能工厂建设起到了举足轻重的作用。
　　在制造过程(执行层)MES项目的建设过程中，企业借鉴SFC项目的成功经验，继续选择与盖勒普深入合作，达到以下效果：
　　第一，通过条码技术跟踪订单从物料投产到成品入库的整个生产流程，实时采集生产过程中发生的所有事件，让整个工厂车间完全透明化。
　　第二，实现与生产设备、检验设备等通信的集成;控制指令随任务工作流，自动下达到相应硬件设备，降低操作设备人员的出错率。
　　第三，产品追溯环节让产品的整个加工和发货过程变得清晰可控，能够在第一时间发现产品质量问题的原因并制定针对措施，降低质量成本。
　　第四，保证生产过程中数据记录的准确性、有效性、安全性，以及操作者记录的简便性，提高作业操作效率，减少人为操作失误。
　　第五，实时记录并监控各工序加工任务完成情况，人员工作、劳动生产率情况，设备利用情况，辅助企业设备、人员绩效管理。
　　第六，实现将工艺数据与设计文件，通过集成产品数据管理(PDM)系统、CAD、CAM软件等接口，完成系统间的无缝集成和共享。
　　MES上线以后，生产底层(控制层)SFC与制造资源(计划层)ERP之间完美衔接，使企业真正“实时反应”起来。 MES、SFC为企业“三维”智能工厂的整体布局打下了良好基础。接下来，该企业将智能工厂的范围纵向扩展到制造资源(计划层)ERP，选择了国际知名品牌的ERP系统。
　　历时一年，ERP系统成功上线。由于前期准确的数据支撑和规范的管理，ERP系统的上线产生了很好的效益：
　　第一，库存下降了30%～50%，库存周转率提高40%。
　　第二，延期交货率减少46%，企业的准时交货率平均提高38%，误期率平均降低35%。
　　第三，采购提前期缩短了55%。
　　第四，停工待料率减少了45%。
　　第五，制造成本降低了12%。
　　第六，第一年整体生产效益提升了25%。
　　此外，ERP系统对该企业所拥有的人、财、物、信息、时间和空间等综合资源进行综合平衡和优化管理，协调各管理部门围绕市场导向开展业务活动，进一步增强了核心竞争力。